【小家java】java8新特性之---lambda表达式的的原理

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说在前面

本文着眼于lambda表达式的原理部分，至于基本使用层面，本章不做讨论，因为使用起来还是蛮简单的。

为了支持函数式编程，Java 8引入了Lambda表达式，那么在Java 8中到底是如何实现Lambda表达式的呢? Lambda表达式经过编译之后，到底会生成什么东西呢?

Java 8中每一个Lambda表达式必须有一个函数式接口与之对应。

或许我们可以推测：Lambda表达式是不是转化成与之对应的函数式接口的一个实现类呢，然后通过多态的方式调用子类的实现呢，如下面代码是一个Lambda表达式的样例：

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}

public class Lambda {   
    //待测试的静态方法
    public static void printString(String s, Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", (x) -> System.out.println(x));
    }
}

如果根据我们的推测，Java编译器编译后，肯定会出现一个类似Lambda$$0这样的类或者内部类，从而肯定存在一个.class文件。因为假如符合我们的预想，其实结果可以达到一模一样？

但是Java8中的lambda真是这么实现的吗？

为了探究Lambda表达式是如何实现的，就得需要研究Lambda表过式最终转化成的字节码文件，这就需要jdk的bin目录下的一个字节码查看工具及反编译工具

javap -p Lambda.class (命令中的-p表示输出所有类及成员)

运行上面的命令后，得的结果如下所示：

public class Lambda {

  public Lambda();
  
  public static void printString(java.lang.String, Print<java.lang.String>);
  public static void main(java.lang.String[]);
  
  //显然，这个方法是编译后多出的
  private static void lambda$0(java.lang.String);
}

由上面的代码可以看出编译器会根据Lambda表达式生成一个私有的静态方法（这点非常重要，就是为什么lambda表达式比匿名内部类效率高的直接原因），注意，在这里说的是生成，而不是等价

private static void lambda$0(java.lang.String);

验证一下

为了验证上面的转化是否正确? 我们在代码中定义一个lambda$0这个方法：

 public static void PrintString(String s, 
     Print<String> print) {
     print.print(s);
 }
 
 private static void lambda$0(String s) {
 }
 
 public static void main(String[] args) {
     PrintString("test", (x) -> System.out.println(x));
 }

如上，我们代码在编译期间不抱错。但是，但是在运行期间就报错了。

Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Duplicate method name&signature in class file Lambda
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:760)
    at java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
    at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:467)
    at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:368)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:362)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:361)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
    at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:331)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)

很明显，报错的额原因是因为存在两个lambda$0函数。

通过javap对上述错误代码进行反编译，反编译之后输出的类的成员如下所示：

public class Lambda {
  public Lambda();
  public static void PrintString(java.lang.String, Print<java.lang.String>);
  private static void lambda$0(java.lang.String);
  public static void main(java.lang.String[]);
  private static void lambda$0(java.lang.String);
}

竟然发现lambda$0出现了两次，那么在代码运行的时候，就不知道去调用哪个，因此就会抛错。

提一句：

java底层处理lambda，其实非常的强大和巧妙。增加了不少类来处理lambda表达式。这里最重要的一个是LambdaMetafactory
里面有个方法：

public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller, String invokedName,
                               	MethodType invokedType, MethodType samMethodType,
                               	MethodHandle implMethod, MethodType instantiatedMethodType) throws LambdaConversionException {
                               
    AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;
    mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType, invokedName, samMethodType,
                                         implMethod, instantiatedMethodType, false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);
    mf.validateMetafactoryArgs();
    return mf.buildCallSite();
}

所有的lambda在运行时会进入这个函数。所以我们在这个方法里面打断点，来获取更多的信息。这里不再做讨论，有兴趣的同学可以自己跟踪下去

结论

Lambda表达式在Java 8中首先会生成一个私有的静态函数，这个私有的静态函数干的就是Lambda表达式里面的内容